Antenne à tilt réglable

Abstract

 La présente invention a pour objet, dans le domaine des antennes pour réseaux de radiocommunications cellulaires terrestres, un procédé d'ajustage par télécommande de l'inclinaison (« tilt ») du diagramme de rayonnement, par rapport à l'horizontale, des antennes d'une station de base.
L'invention est également relative à une antenne équipée de moyens de réglage du « tilt », et à un système de commande à distance du « tilt ».
Le domaine technique est celui des antennes actives (« smart antennas » ou « adaptive antennas ») pour les réseaux de communication avec des terminaux mobiles de télécommunication.
Selon l'invention, une antenne (9) pour réseau de télécommunication cellulaire terrestre comprend des éléments rayonnants (5 à 8) et des moyens d'alimentation desdits éléments rayonnants en signaux radiofréquence ; lesdits moyens d'alimentation comprennent des moyens électroniques de déphasage entre lesdits signaux, de façon à permettre de régler à distance l'inclinaison du diagramme de rayonnement dans un plan vertical.

Description

[0001] La présente invention a pour objet, dans le domaine des antennes pour réseaux de radiocommunications cellulaires terrestres, un procédé d'ajustage par télécommande de l'inclinaison (« tilt ») du diagramme de rayonnement, par rapport à l'horizontale, des antennes d'une station de base.

[0002] L'invention est également relative à une antenne équipée de moyens de réglage du « tilt », et à un système de commande à distance du « tilt ».

[0003] Le domaine technique est celui des antennes actives (« smart antennas » ou « adaptive antennas ») pour les réseaux de communication avec des terminaux mobiles de télécommunication.

[0004] Un des problèmes rencontrés par les opérateurs de réseaux cellulaires lors de l'optimisation de leur réseau, est lié au contrôle de la couverture radioélectrique offerte par chaque station de base. Un des moyens utilisés pour ajuster cette couverture consiste à modifier le tilt (inclinaison du diagramme de rayonnement par rapport à l'horizontale) de l'antenne pour réduire (ou parfois accroître) la portée d'une station de base ; la modification du tilt est aussi utilisée pour réduire le brouillage occasionné par une station de base desservant une cellule distante, dans laquelle les mêmes ressources spectrales sont utilisées, afin d'accroître la capacité du réseau.

[0005] Aujourd'hui, dans un cas comme dans l'autre, il faut intervenir sur le site (ce qui coûte cher puisqu'il faut faire intervenir un spécialiste de l'installation des antennes) et ajuster de façon mécanique l'inclinaison de cette antenne.

[0006] Le brevet US 4,249,181 (LEE) décrit un système de radiotéléphone mobile cellulaire, dans lequel des fréquences radio sont affectées à des cellules disposées adjacentes pour former un réseau couvrant une zone de service ; au moins un système d'antennes directionnelles est prévu dans chaque cellule ; une antenne comporte plusieurs dipôles colinéaires alimentés en phase ; afin d'incliner l'axe d'un lobe du diagramme de rayonnement de l'antenne dans un plan vertical, sous l'horizontale, l'antenne est fixée à un mat par l'intermédiaire d'un support mécanique incliné, fixe ou ajustable, afin d'augmenter l'efficacité de la couverture de la cellule desservie par l'antenne (par rapport au cas où l'axe serait horizontal).

[0007] Le réglage du tilt par le réglage d'un support mécanique d'antenne nécessite une intervention sur site qui est coûteuse. Il est en outre impossible avec ce système d'ajuster de façon précise la couverture radioélectrique d'une cellule sans multiplier les interventions sur site.

[0008] Un tel dispositif mécanique de réglage d'inclinaison de l'antenne présente également l'inconvénient de déformer le diagramme de rayonnement de l'antenne dans le plan horizontal.

[0009] Il est aussi possible d'utiliser des antennes dont le diagramme de rayonnement est incliné par déphasage des signaux alimentant les antennes élémentaires qui composent l'antenne.

[0010] La demande internationale WO 98/21779 (HUYNH) décrit une antenne dont l'inclinaison du faisceau est variable électriquement ; l'antenne comporte des éléments rayonnants formant trois groupes d'éléments disposés le long d'un écran ; un mécanisme d'ajustement de phase est disposé entre le deuxième et le troisième groupe d'éléments d'antenne, et comporte :

• un élément de couplage d'entrée ;
• une partie mobile de couplage dont une extrémité montée pivotante est couplée électromagnétiquement à l'élément de couplage d'entrée ;
• une portion de ligne de transmission semi-circulaire qui est couplée à une deuxième extrémité de la partie mobile ;
• un mécanisme d'entraînement de la partie mobile qui comporte un moteur électrique commandable et contrôlable à distance.

[0011] Les longueurs des chemins électriques à la fréquence de fonctionnement sont telles que, lorsque la partie mobile est en position médiane, elles entraînent un déphasage progressif entre les éléments rayonnants résultant en une inclinaison du diagramme de rayonnement de 7 degrés environ sous l'horizontale ; cette inclinaison est réglable entre 0 et 14 degrés par déplacement de la partie mobile (par le moteur), ce qui modifie la longueur des chemins électriques, et par conséquent la phase relative des signaux délivrés aux éléments rayonnants.

[0012] Ce dispositif électromécanique de déphasage est destiné à permettre de commander à distance l'inclinaison du diagramme de rayonnement, en particulier en fonction de la variation d'intensité de la demande en période de fin de semaine ou de vacances ; ce système présente certains inconvénients : il ne permet pas une variation rapide du déphasage ; en outre, sa fiabilité est limitée par celle du mécanisme électromécanique de modification de longueur des chemins électriques.

[0013] Un objectif poursuivi par l'invention est de proposer un dispositif de variation de l'inclinaison du diagramme de rayonnement d'une telle antenne, qui soit susceptible d'être commandé à distance, qui soit amélioré et remédie en partie au moins aux inconvénients des dispositifs connus.

[0014] Selon un premier aspect, l'invention consiste à proposer une antenne pour réseau de télécommunication cellulaire terrestre, comprenant des éléments rayonnants et des moyens d'alimentation desdits éléments rayonnants en signaux radiofréquence ; lesdits moyens d'alimentation comprennent des moyens électroniques de déphasage entre lesdits signaux, de façon à permettre de régler à distance l'inclinaison du diagramme de rayonnement dans un plan vertical, en particulier de l'axe du lobe principal de ce diagramme.

[0015] Les moyens électroniques de déphasage comportent une ou plusieurs cellules de déphasage qui sont chacune généralement constituées par trois composants successivement disposés en série : un diviseur (ou répartiteur) par deux ; un circuit déphaseur statique connecté à une des deux sorties du diviseur pour délivrer en sortie un signal déphasé ; un coupleur à deux sorties en quadrature.

[0016] Le circuit déphaseur statique est de préférence constitué par un réseau d'éléments déphaseurs fixes qui sont chacun associés à une diode (ou un relais radiofréquence) de commutation de l'élément déphaseur, la conduction des diodes (respectivement la fermeture des relais) pouvant être commandée par un signal numérique de commande appliqué au circuit déphaseur ; le circuit comporte de préférence des diodes de commutation de type PIN.

[0017] En utilisant un circuit déphaseur comportant deux, trois ou quatre éléments déphaseurs et leurs diodes (ou relais) associé(e)s, on dispose d'un déphaseur numérique 2, 3 ou 4 bits respectivement.

[0018] L'invention propose ainsi un dispositif très simple, précis, très fiable, compact et peu coûteux, facile à commander à distance, et qui permet de faire varier l'inclinaison du diagramme de rayonnement d'une antenne en moins de 1 microseconde, en particulier lorsqu'on utilise des diodes, dont le temps de commutation très faible peut être de l'ordre de 10 à 100 nanosecondes.

[0019] Le dispositif selon l'invention provoque en outre peu de distorsion du diagramme de rayonnement dans un plan horizontal.

[0020] Afin de modifier le tilt de l'antenne, on insère dans le circuit d'alimentation radiofréquence de l'antenne des dispositifs électroniques (déphaseurs) qui vont permettre de faire basculer le diagramme de rayonnement dans un plan vertical. Ce dispositif électronique peut être téléalimenté par le câble coaxial qui relie la station de base à l'antenne. La commande (numérique ou analogique) du dispositif électronique permet d'ajuster la valeur du tilt à une valeur prédéterminée par l'opérateur (par pas de 1 degré par exemple). On peut déporter cette commande au niveau de la station de base, voire au niveau de l'organe qui contrôle et assure l'exploitation du réseau cellulaire. La télécommande mise en place permet d'ajuster le tilt en temps réel sans intervention humaine sur l'antenne.

[0021] La possibilité d'ajuster le tilt de l'antenne à l'aide d'un dispositif électronique permet, sur les réseaux cellulaires à accès multiple par répartition dans le temps (type GSM), de contrôler l'inclinaison du diagramme de rayonnement pour chaque intervalle de temps (trame), par variation de l'inclinaison à une fréquence égale à l'inverse de la durée de la trame AMRT, donc terminal mobile par terminal mobile, en fonction des informations de niveau reçu ou de qualité à l'interface radioélectrique. Le réglage du tilt pour chaque communication en cours peut être utilisé en complément du contrôle de puissance pour ajuster le niveau du signal utile et pour réduire le niveau d'un signal brouilleur situé dans l'ouverture de l'antenne.

[0022] Un dispositif électronique de déphasage des antennes élémentaires est intégré à l'intérieur de chaque antenne. La commande de ce dispositif permet d'ajuster le tilt de l'antenne. Lorsque la commande est déportée, un opérateur peut ajuster ce tilt sans intervention particulière sur l'antenne. Dans le cas où des mesures réalisées sur le réseau montrent que ce tilt doit être modifié pour réduire un brouillage ou pour modifier la couverture radioélectrique, il est à nouveau possible de modifier le tilt sans coût supplémentaire.

[0023] Si toutes les antennes d'un réseau cellulaire sont équipées de ce dispositif, il n'est plus nécessaire d'installer de dispositif d'inclinaison des antennes, ni d'indiquer au fabricant d'antennes s'il est nécessaire de fournir une antenne avec une valeur de tilt pré-déterminée.

[0024] Les antennes des réseaux cellulaires sont utilisées la plupart du temps en mode duplex (émission et réception sur la même antenne) ; le dispositif électronique permet d'obtenir un tilt électrique identique sur la voie montante et descendante.

[0025] Le dispositif électronique intégré dans le radôme de protection de l'antenne est donc essentiellement composé de déphaseurs dont les signaux de commande peuvent être transmis par un câble coaxial transportant les signaux radiofréquence à émettre. Du fait que la commande se fait sous forme numérique, il est possible d'intégrer la commande dans les équipements du réseau cellulaire, après le début de l'utilisation de l'antenne.

[0026] Ainsi, selon un autre aspect, l'invention consiste en un procédé de commande d'une pluralité d'antennes selon l'invention dans lequel on délivre à chaque antenne un signal numérique de commande des moyens électroniques de déphasage.

[0027] Selon des modes préférés de mise en oeuvre du procédé :

• le signal numérique de commande est transmis par un câble coaxial de transport des signaux radiofréquence ;
• la valeur d'inclinaison est ajustée périodiquement ;
• on commande par ledit signal numérique une variation de l'inclinaison du diagramme à une fréquence égale à l'inverse de la durée de la trame AMRT, afin de contrôler l'inclinaison du diagramme dans chaque période de trame, pour chaque terminal mobile de télécommunication desservi par l'antenne, en fonction d'informations de niveau ou de qualité du signal reçu par le terminal mobile.

[0028] Les avantages procurés par l'invention seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention.

[0029] Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent, sauf indication contraire, les mêmes références d'une figure à l'autre.

[0030] La figure 1 illustre une cellule de déphasage d'une antenne selon l'invention.

[0031] La figure 2 illustre l'utilisation de la cellule de déphasage de la figure 1, qui est insérée dans le circuit d'alimentation d'une antenne à quatre dipôles.

[0032] La figure 3 illustre schématiquement un dispositif d'inclinaison du diagramme de rayonnement d'une antenne à huit dipôles comportant trois cellules de déphasage telles que celle illustrée figure 1.

[0033] La figure 4 est un graphe illustrant la variation de la puissance des deux signaux de sortie d'une cellule de déphasage en fonction d'un signal de commande de déphasage appliqué à cette cellule.

[0034] Les moyens électroniques de déphasage selon l'invention permettent de répartir la puissance (signaux radiofréquence) délivrée à l'entrée (E) de l'antenne 9 par un câble 13 vers chacun des éléments rayonnants 5 à 8 (dipôle demi-longueur d'onde dans le cas d'une antenne ATR). Cette répartition est faite à l'aide de cellules 1 élémentaires de déphasage (figure 1). Chaque cellule 1 se compose d'un « split tee » 2 (répartiteur par deux), d'un déphaseur 2 ou 3 bits (repère 3) et d'un coupleur (repère 4) à 3db d'affaiblissement, à sorties (S₁, S₂) en quadrature, servant à alimenter deux dipôles (5 ou 6 ou 7 ou 8) symétriques ; une première entrée du coupleur 4 est raccordée à la sortie du déphaseur 3 ; une deuxième entrée du coupleur est connectée à la sortie (non déphasée) du diviseur 2.

[0035] Lorsque la phase varie entre 0 et 90 degrés au niveau du déphaseur, la répartition de la puissance varie de la façon suivante (figure N°4) :

• pour un déphasage nul : la puissance d'entrée se répartit entre 50 % sur S1 et 50 % sur S2,
• pour 90 degrés de déphasage : la puissance d'entrée se répartit entre 0 % sur S2 et 100 % sur S1.

[0036] En mettant en cascade des cellules élémentaires, on peut régler de façon très fine le tilt de l'antenne. Deux exemples de réalisation sont donnés pour une antenne composée de 8 dipôles élémentaires notamment (figure 3) ou de 4 dipôles (figure 2), mais le principe peut être étendu à une antenne comprenant 16 ou 32 éléments rayonnants notamment.

[0037] Si l'on utilise des cellules de déphasage à 3 bits (soit 8 valeurs de déphasage), on peut obtenir pour une antenne à 8 dipôles, 512 valeurs de tilt pour le diagramme de rayonnement.

[0038] Chaque sortie S1, S2 des deux coupleurs équipant respectivement les deux déphaseurs 1b, 1c, est connectée à deux éléments rayonnants de l'antenne 9.

[0039] Un circuit de commande 10 fournit à chacun des déphaseurs 1a, 1b, 1c (figure 3) une combinaison binaire (3 bits dans l'exemple précédent) pour obtenir la valeur de tilt souhaitée. Le circuit de commande ainsi que les déphaseurs sont intégrés dans le radôme de l'antenne 9. Un modem 11 permet de télécommander à distance les circuits de déphasage et donc de régler le tilt.

[0040] Il est possible de téléalimenter par le câble coaxial 13, qui relie l'antenne à la station de base, toute l'électronique intégrée à l'antenne. De même le modem 11 peut être raccordé au câble 13 coaxial pour transmettre les informations de télécommande des déphaseurs délivrées par un dispositif de contrôle d'exploitation d'un réseau cellulaire.

[0041] Chaque déphaseur 3 peut être constitué d'un réseau d'éléments fixes commutables par des diodes (ou des relais radiofréquence) commandées numériquement ; de tels déphaseurs sont proposés notamment par les Sociétés General Microwave Corp., Amityville, N.Y., U.S.A., et/ou Narda Microwave, N.Y., U.S.A.

Revendications

1. Antenne (9) pour réseau de télécommunication cellulaire terrestre, comprenant des éléments rayonnants (5 à 8) et des moyens d'alimentation desdits éléments rayonnants en signaux radiofréquence, caractérisée en ce lesdits moyens d'alimentation comprennent des moyens électroniques de déphasage entre lesdits signaux, de façon à permettre de régler à distance l'inclinaison du diagramme de rayonnement dans un plan vertical.

2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les moyens électroniques de déphasage comportent une cellule (1, 1a, 1b, 1c) de déphasage comportant un circuit (3) déphaseur comportant plusieurs composants statiques de commutation d'un élément déphaseur fixe.

3. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les moyens électroniques de déphasage comportent une cellule (1b, 1c) de déphasage associée à un groupe de quatre éléments rayonnants, ladite cellule comportant, successivement connectés en série dans le circuit d'alimentation desdits éléments rayonnants :

- un diviseur (2) par deux,

- un circuit (3) déphaseur connecté à une des deux sorties du diviseur pour délivrer en sortie un signal déphasé,

- un coupleur (4) à deux sorties (S₁, S₂) en quadrature, chaque sortie du coupleur étant connectée à deux éléments rayonnants.

4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle le circuit déphaseur est constitué par un réseau d'éléments déphaseurs fixes à chacun desquels est associée une diode de commutation ou un relais radiofréquence.

5. Antenne selon la revendication 4, dans laquelle les diodes sont de type PIN et ont une durée de commutation de l'ordre de 10 à 100 nanosecondes.

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans laquelle chaque cellule de déphasage est connectée à un circuit (10) de commande numérique des cellules de l'antenne qui comporte un modem (11) permettant la commande à distance des moyens de déphasage.

7. Antenne selon la revendication 6, dans laquelle le circuit (10) de commande numérique des cellules est relié à un dispositif de contrôle d'une pluralité d'antennes du réseau par un câble (13) servant également à transmettre lesdits signaux radiofréquence.

8. Procédé de commande d'une pluralité d'antennes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel on délivre à chaque antenne un signal numérique de commande des moyens électroniques de déphasage.

9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le signal numérique de commande est transmis par un câble coaxial (13) de transport des signaux radiofréquence.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel la valeur d'inclinaison est ajustée périodiquement.

11. Procédé de commande selon la revendication 8, dans lequel on commande par ledit signal numérique une variation de l'inclinaison du diagramme à une fréquence égale à l'inverse de la durée de la trame AMRT, afin de contrôler l'inclinaison du diagramme dans chaque période de trame, pour chaque terminal mobile de télécommunication desservi par l'antenne, en fonction d'informations de niveau ou de qualité du signal reçu par le terminal mobile.

Dessins